儲(chǔ)能系統(tǒng)推動(dòng)電動(dòng)汽車的快速充電基礎(chǔ)設(shè)施

電動(dòng)汽車（EV）將獲得越來越多的市場份額，最終取代內(nèi)燃機(jī)汽車。直流（DC）快速充電站將取代或整合加油站?？稍偕茉磳⒂糜跒樗鼈?a target="_blank">供電，例如太陽能和風(fēng)能。人們希望在不到 15 分鐘的時(shí)間內(nèi)為電動(dòng)汽車充電，他們不想排隊(duì)等待獨(dú)特的充電樁。

考慮到多個(gè)充電樁，電網(wǎng)必須在本地提供的充電峰值功率超過1兆瓦。電網(wǎng)可能會(huì)在許多地方崩潰，或者需要巨額投資來改善輸電線路和中央發(fā)電廠，以提供更高的基本負(fù)荷。然而，這種負(fù)荷是脈沖性的，必須與太陽能和風(fēng)能等可再生能源產(chǎn)生的間歇性能量相結(jié)合。

儲(chǔ)能系統(tǒng)可以用簡單而優(yōu)雅的方式解決這個(gè)問題。我們使用汽油或氣體等液體來儲(chǔ)存能量，并在需要時(shí)重復(fù)使用（例如，為汽車加油時(shí)）。使用相同的原理，我們可以使用電子和化學(xué)將電能存儲(chǔ)在電池中。然后可以利用該能量來增強(qiáng)電動(dòng)汽車充電，通過削減功率峰值來保持電網(wǎng)穩(wěn)定或在停電時(shí)提供供應(yīng)。

移動(dòng)市場正在發(fā)生變化。到2020年，將銷售近300萬輛電動(dòng)汽車，總計(jì)超過8000萬輛。雖然這看起來像是一個(gè)利基市場，但預(yù)測到2025年將銷售到1000萬輛電動(dòng)汽車，到2040年將超過5000萬輛，總計(jì)1億輛。這意味著，到2040年，50%的已售車輛將是全電動(dòng)汽車。所有這些車輛都需要緩慢充電，在家中過夜，使用簡單的壁箱或幾千瓦直流充電器，用于帶有太陽能發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池的房屋，在街上的充電樁上快速充電，或者在未來的加油站中超快。

隨著電動(dòng)汽車市場的興起，我們看到可再生能源發(fā)電市場 - 最近經(jīng)歷了太陽能光伏（PV）系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展 - 仍然以良好的速度增長，這要?dú)w功于過去10年降價(jià)約80%和推動(dòng)脫碳。太陽能占當(dāng)今全球發(fā)電量的不到5%，預(yù)計(jì)到2050年將占全球發(fā)電量的三分之一以上（33%）。

隨著未來由間歇性負(fù)載組成，需要充電的電動(dòng)汽車和間歇性能源（光伏和風(fēng)力發(fā)電）提出了挑戰(zhàn)，例如如何在以電網(wǎng)為中心的能源生態(tài)系統(tǒng)中結(jié)合這些新參與者。電動(dòng)汽車等間歇性負(fù)載將需要對傳輸線進(jìn)行額外的尺寸設(shè)計(jì)，以滿足更高的功率峰值需求。

太陽能生產(chǎn)將改變中央發(fā)電廠的運(yùn)作方式，以確保電網(wǎng)不會(huì)過度充電，人們將需要更容易獲得電力，越來越多的家庭生產(chǎn)的電力的自我利用將是住宅太陽能系統(tǒng)。

為了使所有實(shí)體順利合作并從可再生能源和零排放電動(dòng)汽車中受益，儲(chǔ)能系統(tǒng)必須進(jìn)入游戲，以確保我們能夠存儲(chǔ)和再利用需求低時(shí)產(chǎn)生的電能（例如，中午產(chǎn)生的太陽能在晚上使用），并使用額外的能量來平衡電網(wǎng)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）相當(dāng)于燃料罐或煤炭儲(chǔ)存?zhèn)}庫。ESS可用于住宅和工業(yè)規(guī)模的多種應(yīng)用。在住宅應(yīng)用中，將光伏逆變器連接到蓄電池，以節(jié)省和使用房屋中的能量或用白天太陽產(chǎn)生的能量在一夜之間為汽車充電很簡單。在工業(yè)或公用事業(yè)規(guī)模的實(shí)施中，例如并網(wǎng)服務(wù)，ESS裝置可用于不同的目的：從光伏和風(fēng)能的監(jiān)管到能源套利，從備用支持到黑啟動(dòng)（移除柴油發(fā)電機(jī)），最重要的是從總成本的角度來看，投資延期。在最后一種情況下，儲(chǔ)能系統(tǒng)將用于覆蓋電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中的功率峰值，確?，F(xiàn)有的輸電線路不需要昂貴的升級(jí)。另一個(gè)相關(guān)的用戶案例是離網(wǎng)安裝，其中ESS使微電網(wǎng)或孤島能夠自給自足。

考慮到所有可能的應(yīng)用，ESS市場將在2045年之前突破1000 GW功率/ 2000 GWh容量閾值，從今天的10 GW 功率/ 20 GWh快速增長。

本文的重點(diǎn)將放在電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的ESS安裝上。

用于私人裝置和公共裝置的交流充電基礎(chǔ)設(shè)施都很簡單，但功率有限。1 級(jí)交流充電器在 120 V 交流下工作，最大功率為 2 kW;2 級(jí)能夠承受 240 V 交流和 20 kW 的功率，并且兩者都需要從交流到直流的功率轉(zhuǎn)換到車載充電器。交流壁箱與其說是充電器，不如說是一個(gè)計(jì)量和保護(hù)裝置。對于汽車，車載充電器的額定功率始終低于 20 kW，以限制成本、尺寸和重量。

另一方面，直流充電使電動(dòng)汽車能夠以更高的功率充電：3 級(jí)充電器的額定電壓高達(dá) 450 V 直流和 150 kW，而最新的超級(jí)充電器（相當(dāng)于 4 級(jí)）可以超過 350 kW 和 800 V 直流。出于安全原因，當(dāng)輸出連接器插入車輛時(shí)，電壓上限設(shè)置為 1000 V dc。使用直流充電器時(shí)，電源轉(zhuǎn)換是在充電樁中進(jìn)行的，直流電源輸出直接將充電樁與汽車的電池連接起來。這消除了車載充電器的必要性，并具有減少占用空間和減輕重量的所有好處。然而，在這個(gè)過渡階段，當(dāng)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施仍然分散，并且不同國家、地區(qū)不同時(shí)，電動(dòng)汽車中主要存在一個(gè) 11 kW 的小型車載充電器，讓用戶能夠在需要時(shí)仍然通過交流插座充電。

增加充電功率需要增加工作電壓，以確保電流保持在電纜尺寸和成本的合理范圍內(nèi)，并且意味著必須正確設(shè)計(jì)和確定微電網(wǎng)或安裝充電站的子電網(wǎng)的尺寸。

讓我們想象一個(gè)未來的充電站（在 2030 年），其中燃料由電子組成，燃料可從稱為傳輸線的管道獲得，通過變壓器連接到中壓 （MV） 電網(wǎng)。今天，燃料儲(chǔ)存在地下的大油箱中，并由油罐車定期運(yùn)送到加油站。讓新燃料——電子——始終從電網(wǎng)中可用似乎是一個(gè)簡單且沒有問題的解決方案，但我們可以看到，如果我們想讓司機(jī)有可能在不到 15 分鐘的時(shí)間內(nèi)為電動(dòng)汽車充電，這種簡單的方法是不可持續(xù)的。

我們的充電站有五個(gè)直流充電樁，每個(gè)充電樁的最大峰值功率輸出為 500 kW。最壞的情況是，必須確定充電站的尺寸，表現(xiàn)為五輛電動(dòng)汽車同時(shí)為完全耗盡的電池充電。為了簡化計(jì)算，我們現(xiàn)在考慮功率轉(zhuǎn)換級(jí)和電池充電路徑中的零損耗。在本文的后面，我們將看到即使整個(gè)電源鏈中的小功率損耗也會(huì)如何影響正確的設(shè)計(jì)。

讓我們考慮五輛電動(dòng)汽車，每輛電動(dòng)汽車都配備 75 kWh 電池（目前市場上的汽車配備全電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，電池從 30 kWh 到 120 kWh），需要從 10% 充電狀態(tài) （SOC） 充電到 80%：

這意味著必須在 15 分鐘內(nèi)將 262.5 kWh 的能量從電網(wǎng)傳輸?shù)诫妱?dòng)汽車：

電網(wǎng)必須向電動(dòng)汽車提供略高于 1 MW 的電力，持續(xù) 15 分鐘。鋰電池的充電過程將需要恒流、恒壓充電曲線，其中充電高達(dá) 80% 的電池所需的功率大于最后 20%。在我們的示例中，假設(shè)最大功率，我們將充電停止在 80%。

電網(wǎng)，或者更好的是充電站所在的子電網(wǎng)，必須間歇性地維持大于1 MW的峰值。必須實(shí)施非常高效和復(fù)雜的有源功率因數(shù)校正（PFC）級(jí)，以確保電網(wǎng)保持高效，而不會(huì)影響頻率，也不會(huì)造成不穩(wěn)定。這也意味著必須安裝非常昂貴的變壓器，將低壓充電站連接到中壓電網(wǎng)，并確保將電力從發(fā)電廠輸送到充電站的輸電線路尺寸正確，以應(yīng)對所需的峰值功率。如果充電站正在為汽車和卡車或公共汽車充電，則所需的功率更高。

最簡單、最經(jīng)濟(jì)的解決方案是使用當(dāng)?shù)乜稍偕茉矗ㄈ缣柲芎惋L(fēng)能）產(chǎn)生的電力，而不是安裝新的輸電線路和大型變壓器。這使用戶能夠直接連接到具有額外電力的充電站，而不僅僅是依賴電網(wǎng)。實(shí)際上，100 kW至500 kW范圍內(nèi)的太陽能光伏（PV）安裝可以在充電站或連接充電站的子電網(wǎng)附近完成。

雖然光伏電源可以提供500 kW，將電網(wǎng)請求的功率限制在500 kW，但光伏電源是間歇性的，并不總是存在。這帶來了電網(wǎng)的不穩(wěn)定，并使電動(dòng)汽車駕駛員只有在陽光照射到最大時(shí)才能以最快的速度為汽車充電。這不是用戶想要的，這是不可持續(xù)的。

這個(gè)電力電子難題中缺少的部分是ESS。就像當(dāng)今加油站的燃料地下油箱一樣，ESS可以表示為一個(gè)大電池，能夠存儲(chǔ)能量并將其從可再生能源輸送到電網(wǎng)或充電樁或返回電網(wǎng)。儲(chǔ)能單元的第一個(gè)關(guān)鍵特性是雙向的，并在電網(wǎng)的低壓側(cè)工作。新裝置的目標(biāo)是連接可再生能源、電動(dòng)汽車充電樁和 ESS 電池的 1500 V 直流母線電壓。還必須對ESS進(jìn)行適當(dāng)?shù)某叽缯{(diào)整，以確保峰值功率和能量容量之間的平衡對于特定安裝是最佳的。該比率在很大程度上取決于當(dāng)?shù)匕l(fā)電的規(guī)模，通過太陽能，風(fēng)能或其他來源，充電樁的數(shù)量，連接到子電網(wǎng)的其他負(fù)載以及電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率。

圖2.未來電動(dòng)汽車加油站的功率轉(zhuǎn)換。

在此計(jì)算中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量應(yīng)介于500 kWh至2.5 MWh之間，峰值功率能力應(yīng)高達(dá)2 MW。

在定義了充電站的關(guān)鍵組件（電源、負(fù)載、能量緩沖器）之后，必須對在充電站中創(chuàng)建能量路徑的四個(gè)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行分析。

四個(gè)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)都位于主直流母線上，額定電壓為 1000 V 直流至 1500 V 直流。所需功率越高，直流母線電壓越高。1500 V dc 代表了當(dāng)今和未來 20 年的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。雖然可以在更高的電壓下使用，但這給安全法規(guī)、電源組件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了復(fù)雜性，使其在現(xiàn)有技術(shù)下效率低下。這并不是說在10年內(nèi)，新技術(shù)，如電源開關(guān)和保護(hù)系統(tǒng)，將無法轉(zhuǎn)向2000 V直流或更高。

考慮到光伏逆變器，我們看到它具有DC-DC轉(zhuǎn)換器的雙重功能（用于從PV面板到直流母線的電源路徑）和DC-AC逆變器的功能（用于從PV面板到交流總線然后進(jìn)入電網(wǎng)的電源路徑）。DC-DC轉(zhuǎn)換級(jí)在這里是最重要的，因?yàn)锳C-DC級(jí)也可以集成到從直流母線到交流電網(wǎng)的主雙向功率因數(shù)校正（PFC）逆變器中?？紤]到最先進(jìn)的電力電子設(shè)計(jì)，圍繞碳化硅（SiC）功率MOSFET設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)最高效率。與硅絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的比較表明，效率在5%（最大負(fù)載）至20%（部分負(fù)載）的范圍內(nèi)有所提高。在我們的示例中，使用額定功率為 500 kW 的光伏逆變器，效率提高 5% 意味著損耗減少 25 kW 或更高的功率輸出——相當(dāng)于五個(gè)房屋的消耗量或一個(gè)大型熱泵在夏季產(chǎn)生熱水或冷卻充電站建筑。

對于直流充電樁和ESS充電器，可以進(jìn)行非常相似的計(jì)算。在這兩種情況下，都可以采用兩種設(shè)計(jì)方法：額定功率大于100 kW的大型單片功率轉(zhuǎn)換器或許多額定功率為25 kW至50 kW的小型轉(zhuǎn)換器并聯(lián)使用。這兩種解決方案都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。如今，小型轉(zhuǎn)換器的多種連接正在引領(lǐng)市場，因?yàn)榻?jīng)濟(jì)規(guī)模和設(shè)計(jì)簡單，成本較低。當(dāng)然，必須采用智能能源管理系統(tǒng)。

即使對于這些DC-DC轉(zhuǎn)換器，從硅IGBT轉(zhuǎn)向SiC MOSFET也帶來了巨大的效率優(yōu)勢，同時(shí)節(jié)省了空間和重量，但代價(jià)是價(jià)格略高 - 今天高出25%，預(yù)計(jì)未來五年將降至5%。僅效率增益就可以通過節(jié)省來覆蓋這個(gè)小價(jià)格（如果我們在最大負(fù)載下使用相同的 5%）：

最后，在PFC逆變器中，1 MW的5%再次變?yōu)?0 kW，僅因?yàn)镾iC與IGBT的效率更高，因此總功率節(jié)省達(dá)到250 kW。這就像有一個(gè)額外的充電樁，或者可以更好地平衡加班的能源消耗與負(fù)載的實(shí)際需求。

正如我們所說，為了實(shí)現(xiàn)這些結(jié)果，需要SiC MOSFET，但它們無法單獨(dú)解決問題。SiC MOSFET 的驅(qū)動(dòng)方式是達(dá)到所需開關(guān)頻率的關(guān)鍵，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本（由 MOSFET、線圈和電感器驅(qū)動(dòng)）和效率之間的最佳權(quán)衡。設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)是50 kHz至250 kHz范圍內(nèi)的開關(guān)頻率。對柵極驅(qū)動(dòng)器的要求變得越來越具有挑戰(zhàn)性，主要是在更短的傳播延遲和改進(jìn)的短路保護(hù)方面。

ADI公司的ADuM4136是一款隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，采用先進(jìn)的耦合器技術(shù)。這種隔離技術(shù)可實(shí)現(xiàn) 150 kV/μs 的共模瞬變抗擾度 （CMTI），以驅(qū)動(dòng)數(shù)百 kHz 開關(guān)頻率范圍內(nèi)的 SiC MOSFET。這與去飽和保護(hù)等快速故障管理相結(jié)合，使設(shè)計(jì)人員能夠正確驅(qū)動(dòng)高達(dá)1200 V的單個(gè)或并行SiC MOSFET。?

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器必須上電，在ADI應(yīng)用筆記AN-2016中，我們展示了ADuM4136柵極驅(qū)動(dòng)器與LT3999推挽式控制器的組合如何構(gòu)成一個(gè)無噪聲、高效率的構(gòu)建模塊，以正確管理SiC MOSFET。LT3999 用于控制 ADuM4136 的一個(gè)雙極性隔離電源。LT3999隔離電源的超低EMI噪聲設(shè)計(jì)，以及高達(dá)1 MHz的開關(guān)可能性，實(shí)現(xiàn)了緊湊且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

總傳播延遲（包括死區(qū)時(shí)間和傳播延遲）在開啟時(shí)為226 ns，在關(guān)斷時(shí)為90 ns。驅(qū)動(dòng)器延遲時(shí)間為66 ns（開啟）和68 ns（關(guān)斷），而死區(qū)時(shí)間為160 ns（開啟）和22 ns（關(guān)斷）。

在不影響效率的情況下實(shí)現(xiàn)了在功率轉(zhuǎn)換器中具有非常高功率密度的目標(biāo)。

圖3.ADuM4136和LT3999柵極驅(qū)動(dòng)器單元。

雖然功率轉(zhuǎn)換器是電源轉(zhuǎn)換路徑的基礎(chǔ)，但在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，確保最佳總擁有成本的關(guān)鍵組件由電池管理/監(jiān)控系統(tǒng)（BMS）表示。在價(jià)格突破分析中，我們可以看到，對于兆瓦級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，超過一半的成本是由電池架驅(qū)動(dòng)的：目前每千瓦時(shí)約200美元，預(yù)計(jì)到2025年將降至每千瓦時(shí)100美元。擁有可靠和精確的BMS解決方案使電池的使用壽命延長30%，從而節(jié)省了大量成本并簡化了整個(gè)充電站的可操作性。更少的維護(hù)意味著更長的工作時(shí)間，并且對用戶沒有問題，從而通過降低維修的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)來提高安全水平。

為了達(dá)到這些結(jié)果，控制充電站周圍能量流的能量管理系統(tǒng)必須非常準(zhǔn)確地了解儲(chǔ)能電池的SOC和健康狀態(tài)（SOH）。精確可靠的SOC和SOH計(jì)算允許電池壽命在最佳情況下延長10年至20年，并且通?？梢栽诓辉黾优cBMS相關(guān)的電子成本的情況下實(shí)現(xiàn)30%的使用壽命延長。這導(dǎo)致電池使用壽命延長，運(yùn)行和擁有成本至少降低 30%。這與SOC信息的更高精度相結(jié)合，提供了使用存儲(chǔ)在電池中的所有能量并以最佳方式充電的能力，避免過度充電或過度放電，這些情況可能會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)耗盡電池并造成短路和火災(zāi)等危險(xiǎn)情況。對于預(yù)測性維護(hù)，并確保能量和功率流得到妥善管理，了解電池 SOC 和 SOH 意味著能夠預(yù)測和調(diào)整電網(wǎng)穩(wěn)定、電動(dòng)汽車充電過程以及車輛到電網(wǎng) （V2G） 連接中涉及的算法，其中車輛也被視為存儲(chǔ)單元。

實(shí)現(xiàn)精確監(jiān)控的解決方案是使用總測量誤差小于2.2 mV的多節(jié)電池（最多18節(jié)電池）電池監(jiān)控IC。所有18個(gè)電池的測量時(shí)間均為290 μs，并且可以選擇較低的數(shù)據(jù)采集速率以實(shí)現(xiàn)高降噪。多個(gè)堆棧監(jiān)控設(shè)備可以串聯(lián)連接，允許同時(shí)監(jiān)控長高壓電池串。每個(gè)堆棧監(jiān)視器都有一個(gè)隔離的串行外設(shè)接口 （isoSPI），用于高速、射頻免疫、長距離通信。多個(gè)設(shè)備以菊花鏈形式連接，所有設(shè)備都有一個(gè)主機(jī)處理器連接。該菊花鏈可以雙向操作，即使在通信路徑出現(xiàn)故障時(shí)也能確保通信完整性。IC可以直接由電池組或隔離電源供電。該 IC 包括每個(gè)電池的被動(dòng)平衡，以及每個(gè)電池的單獨(dú) PWM 占空比控制。其他特性包括板載5 V穩(wěn)壓器、9條通用I/O線路和睡眠模式，其中電流消耗降至6 μA。

由于BMS應(yīng)用的短期和長期精度要求，IC使用埋齊納轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)，而不是帶隙基準(zhǔn)。這提供了穩(wěn)定的低漂移 （20 ppm/√kh）、低溫度系數(shù) （3 ppm/°C）、低遲滯 （20 ppm） 初級(jí)基準(zhǔn)電壓源以及出色的長期穩(wěn)定性。準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兪撬泻罄m(xù)電池單元測量的基礎(chǔ)，這些誤差會(huì)對采集數(shù)據(jù)的可信度、算法一致性和系統(tǒng)性能產(chǎn)生累積影響。

盡管高精度基準(zhǔn)電壓源是確保卓越性能的必要功能，但僅此還不夠。AC-DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)及其工作必須符合電氣噪聲環(huán)境中的規(guī)范，這是系統(tǒng)高電流/電壓逆變器的脈寬調(diào)制（PWM）瞬變的結(jié)果。準(zhǔn)確評估電池的SOC和SOH還需要相關(guān)的電壓、電流和溫度測量。

為了在系統(tǒng)噪聲影響B(tài)MS性能之前降低系統(tǒng)噪聲，堆棧監(jiān)控器轉(zhuǎn)換器使用Σ-Δ拓?fù)?，并輔以六個(gè)用戶可選濾波器選項(xiàng)，以應(yīng)對嘈雜的環(huán)境。Σ-Δ方法降低了EMI和其他瞬態(tài)噪聲的影響，其性質(zhì)是每次轉(zhuǎn)換使用許多樣本，并具有平均濾波功能。

在ADI產(chǎn)品組合中，LTC681x和LTC680x系列代表了電池組監(jiān)視器的最新技術(shù)。18 通道版本稱為 LTC6813。

總之，為了應(yīng)對未來直流快速充電基礎(chǔ)設(shè)施的挑戰(zhàn)，關(guān)鍵方面將出現(xiàn)在功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)中。本文提出了兩個(gè)示例：ADuM4136隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器與LT3999電源控制器（用于采用SiC MOSFET設(shè)計(jì)的功率轉(zhuǎn)換級(jí)）和LTC6813電池監(jiān)控器件（用于儲(chǔ)能電池）的組合。這些系統(tǒng)中還有更多關(guān)注領(lǐng)域，從電流計(jì)量到故障保護(hù)設(shè)備，從氣體傳感到功能安全。它們都非常重要，并帶來了巨大的好處，ADI正在所有這些子系統(tǒng)中積極工作，以確保我們能夠感知、測量、連接、解釋、保護(hù)和供電所有物理現(xiàn)象，從而產(chǎn)生可靠和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)——高端算法將使用這些數(shù)據(jù)來確保大部分能量從可再生能源轉(zhuǎn)換為負(fù)載。

審核編輯：郭婷